اكتشف العلماء حالة مغناطيسية غريبة للمادة

حدد العلماء حالة مغناطيسية طال البحث عنها منذ ما يقرب من 60 عامًا.

اكتشف العلماء في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية حالة مغناطيسية متوقعة منذ زمن طويل للمادة تسمى “عازل إكسيتونيك مضاد للمغناطيسية”.

قال مارك دين ، الفيزيائي في مختبر Brookhaven Lab ، وكبير مؤلفي ورقة تصف البحث المنشور للتو في اتصالات الطبيعة. “نظرًا لأن المواد المغناطيسية تكمن في صميم الكثير من التقنيات من حولنا ، فإن الأنواع الجديدة من المغناطيسات رائعة بشكل أساسي وواعدة للتطبيقات المستقبلية.”

تتضمن الحالة المغناطيسية الجديدة تجاذبًا مغناطيسيًا قويًا بين الإلكترونات في مادة ذات طبقات تجعل الإلكترونات ترغب في ترتيب لحظاتها المغناطيسية ، أو “تدور” ، في نمط “مضاد مغناطيسي” منتظم من الأعلى إلى الأسفل. تم التنبؤ لأول مرة بفكرة أن مثل هذه المغناطيسية المغناطيسية المضادة عن طريق اقتران إلكترون ملتوي في مادة عازلة في الستينيات عندما اكتشف الفيزيائيون الخصائص المختلفة للمعادن وأشباه الموصلات والعوازل.

انطباع فنان عن كيفية تحديد الفريق لهذه المرحلة التاريخية للمادة. استخدم الباحثون الأشعة السينية لقياس كيفية تحرك السبينات (الأسهم الزرقاء) عندما يكونون مضطربين وكانوا قادرين على إظهار أنها تتأرجح في الطول في النمط الموضح أعلاه. يحدث هذا السلوك الخاص لأن كمية الشحنة الكهربائية في كل موقع (تظهر على شكل أقراص صفراء) يمكن أن تختلف أيضًا وهي بصمة الإصبع المستخدمة لتحديد السلوك الجديد. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني

قال دانيال مازون ، الفيزيائي السابق في مختبر بروكهافن الذي قاد الدراسة وهو الآن في معهد بول شيرير في سويسرا: “منذ ستين عامًا ، كان علماء الفيزياء قد بدأوا للتو في النظر في كيفية تطبيق قواعد ميكانيكا الكم على الخصائص الإلكترونية للمواد”. “كانوا يحاولون معرفة ما يحدث عندما تجعل” فجوة الطاقة “الإلكترونية بين العازل والموصل أصغر وأصغر. هل تقوم فقط بتغيير عازل بسيط إلى معدن بسيط حيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية ، أو يحدث شيء أكثر إثارة للاهتمام؟ “

كان التوقع أنه في ظل ظروف معينة ، يمكنك الحصول على شيء أكثر إثارة للاهتمام: وهو “عازل الإثارة المغنطيسي المضاد” الذي اكتشفه للتو فريق Brookhaven.

لماذا هذه المادة غريبة جدا وممتعة؟ لفهم ذلك ، دعنا نتعمق في هذه المصطلحات ونستكشف كيف تتشكل هذه الحالة الجديدة للمادة.

في مغناطيس مغناطيسي مضاد ، يكون للإلكترونات الموجودة على الذرات المجاورة محاور استقطاب مغناطيسي (تدور) في اتجاهات متناوبة: لأعلى ولأسفل ولأعلى ولأسفل وما إلى ذلك. على مقياس المادة بأكملها ، تلغي هذه الاتجاهات المغناطيسية الداخلية المتناوبة بعضها البعض ، مما يؤدي إلى عدم وجود مغناطيسية صافية للمادة الكلية. يمكن تبديل هذه المواد بسرعة بين الحالات المختلفة. كما أنها تقاوم فقدان المعلومات بسبب التداخل من المجالات المغناطيسية الخارجية. هذه الخصائص تجعل المواد المضادة للمغناطيسية جذابة لتقنيات الاتصال الحديثة.

يشمل أعضاء فريق البحث: دانيال مازوني (سابقًا من Brookhaven Lab ، والآن في معهد Paul Scherrer في سويسرا) ، وياو شين (معمل Brookhaven) ، و Gilberto Fabbris (مختبر Argonne الوطني) ، و Hidemaro Suwa (جامعة طوكيو وجامعة تينيسي) ) ، هو مياو (مختبر أوك ريدج الوطني- ORNL) ، جينيفر سيرز * (معمل بروكهافن) ، جيان ليو (يو تينيسي) ، كريستيان باتيستا (يو تينيسي و ORNL) ، ومارك دين (معمل بروكهافن). الائتمان: مصادر مختلفة بما في ذلك * DESY ، مارتا ماير

بعد ذلك لدينا excitonic. تنشأ الإكسايتونات عندما تسمح ظروف معينة للإلكترونات بالتحرك والتفاعل بقوة مع بعضها البعض لتشكيل حالات مرتبطة. يمكن للإلكترونات أيضًا تكوين حالات مرتبطة بـ “الثقوب” ، وهي الشواغر التي تُترك عندما تقفز الإلكترونات إلى موضع مختلف أو مستوى طاقة مختلف في مادة ما. في حالة تفاعلات الإلكترون والإلكترون ، يكون الارتباط مدفوعًا بمجاذبات مغناطيسية قوية بما يكفي للتغلب على قوة التنافر بين الجسيمين المتشابهين. في حالة تفاعلات ثقب الإلكترون ، يجب أن يكون التجاذب قويًا بما يكفي للتغلب على “فجوة الطاقة” في المادة ، وهي خاصية مميزة للعازل.

“العازل هو عكس المعدن ؛ قال دين “إنها مادة لا توصل الكهرباء”. تبقى الإلكترونات في المادة عمومًا في حالة طاقة منخفضة أو “أرضية”. “جميع الإلكترونات محشورة في مكانها ، مثل الأشخاص في مدرج ممتلئ ؛ قال. لجعل الإلكترونات تتحرك ، عليك أن تمنحهم دفعة في الطاقة كبيرة بما يكفي للتغلب على الفجوة المميزة بين الحالة الأرضية ومستوى طاقة أعلى.

في ظروف خاصة جدًا ، يمكن أن يفوق اكتساب الطاقة من تفاعلات ثقب الإلكترون المغناطيسي تكلفة الطاقة للإلكترونات التي تقفز عبر فجوة الطاقة.

الآن ، بفضل التقنيات المتقدمة ، يمكن للفيزيائيين استكشاف تلك الظروف الخاصة لمعرفة كيفية ظهور حالة العازل الأكسيتونيك المضاد للمغناطيسية.

عمل فريق تعاوني باستخدام مادة تسمى أكسيد الإيريديوم السترونشيوم (Sr₃الأشعة تحت الحمراء₂ا₇) ، والذي بالكاد يكون عازلًا عند درجة حرارة عالية. استخدم دانيال مازون ، وياو شين (معمل بروكهافن) ، وجيلبرتو فابريس (مختبر أرجون الوطني) ، وجنيفر سيرز (معمل بروكهافن) الأشعة السينية في مصدر الفوتون المتقدم – وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم بوزارة الطاقة في مختبر أرغون الوطني – لقياس التفاعلات المغناطيسية وتكلفة الطاقة المرتبطة بتحريك الإلكترونات. كما قدم كل من جيان ليو وجوني يانغ من جامعة تينيسي وعالمات أرغون ماري أبتون ودييجو كاسا مساهمات مهمة.

بدأ الفريق تحقيقاتهم في درجة حرارة عالية وقاموا بتبريد المادة تدريجيًا. مع التبريد ، ضاقت فجوة الطاقة تدريجياً. عند 285 كلفن (حوالي 53 درجة[{” attribute=””>Fahrenheit), electrons started jumping between the magnetic layers of the material but immediately formed bound pairs with the holes they’d left behind, simultaneously triggering the antiferromagnetic alignment of adjacent electron spins. Hidemaro Suwa and Christian Batista of the University of Tennessee performed calculations to develop a model using the concept of the predicted antiferromagnetic excitonic insulator, and showed that this model comprehensively explains the experimental results.

“Using x-rays we observed that the binding triggered by the attraction between electrons and holes actually gives back more energy than when the electron jumped over the band gap,” explained Yao Shen. “Because energy is saved by this process, all the electrons want to do this. Then, after all electrons have accomplished the transition, the material looks different from the high-temperature state in terms of the overall arrangement of electrons and spins. The new configuration involves the electron spins being ordered in an antiferromagnetic pattern while the bound pairs create a ‘locked-in’ insulating state.”

The identification of the antiferromagnetic excitonic insulator completes a long journey exploring the fascinating ways electrons choose to arrange themselves in materials. In the future, understanding the connections between spin and charge in such materials could have potential for realizing new technologies.

Brookhaven Lab’s role in this research was funded by the DOE Office of Science, with collaborators receiving funding from a range of additional sources noted in the paper. The scientists also used computational resources of the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory.

Reference: “Antiferromagnetic Excitonic Insulator State in Sr₃Ir₂O₇” by D. G. Mazzone, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabbris, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Ke Jia, Y. G. Shi, M. H. Upton, D. M. Casa, X. Liu, Jian Liu, C. D. Batista and M. P. M. Dean, 17 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-w